DE10141184A1

DE10141184A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von verlorenen Gießformen durch Bearbeitung von aus üblichem Gießerei-Formsand hergestellten Rohformen und zur Herstellung der Gießrohformen

Info

Publication number: DE10141184A1
Application number: DE2001141184
Authority: DE
Inventors: Dieter Fichtner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2003-03-13

Abstract

Technisches Problem der Erfindung = technische Aufgabe und Zielsetzung DOLLAR A Zur Herstellung von Gießformen müssen entweder ein teures Holzmodell gebaut oder eine teure Lasersinteranlage und Spezialsand oder aushärtbarer Sand benutzt werden oder wenn der Formsand gesteuert gewalzt wird, können filigranere Formen nicht entstehen. Die Gießform soll aus üblichem Formsand ohne konturgesteuertes Modell gefertigt werden. DOLLAR A Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe DOLLAR A Ein CAD-Modell wird vom Rechnerprogramm in würflige Raumelemente (Voxel) zerlegt, dabei die Oberfläche möglichst gut annähernd. Die Voxel haben vorgegebene Standardgrößen. In der Gießerei baut der Former aus Modellbausteinen, die den Voxeln äquivalent sind, ein approximierendes Modell auf und umhüllt es mit Gießereiformsand. Den Formkasten mit der so geschaffenen Sandgießrohform stellt er auf eine Bearbeitungseinrichtung, die einen erfindungsgemäßen Fingerlöffel (siehe Fig.) numerisch gesteuert führt. Der Fingerlöffel wird an die Sandgießrohform - "approximierte Sandgießform" - positioniert. Dabei dringt eine "Zunge" in die Kontur der Sandgießrohform leicht ein. Ein mechanisch bewegter "Löffel" baggert eine Partie Sand ab. Der Baggervorgang dauert an, bis die Kontur der Sandgießform vollständig erzeugt wurde. DOLLAR A Der Former glättet die Sandgießform noch. DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Herstellung von Sandgießformen.

Description

Beschreibung des bekannten Standes der Technik

Dem allgemein verfügbaren Stande der Technik nach ist bekannt, dass Sandgießformen erzeugt werden, indem zuvor ein Modell gebaut wird, dass die Formen des Gussteiles abbildet und die gießtechnischen Schwindvorgänge berücksichtigt. Dieses Modell wird mit Sand umgeben, der verdichtet wird und den eine gießtechnische Vorrichtung zusammenhält, z. B. ein Formkasten. Eine kostengünstigere Abwandlung entsteht durch ein Verfahren (Offenlegungsschrift DE 40 38 090 - Herstellungsverfahren von Achsbrückengehäusen), bei dem Modelle modular aus einzelnen austauschbaren Segmenten zusammengesetzt sind.

Aus (Gebhardt, Andreas: Rapid Prototyping, München, Wien: Carl Hanser Verlag, 1996; Patentschrift DE 42 44 579 - Verfahren zur werkzeuglosen Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern durch Stereolithographie) u. a. ist ferner bekannt, dass prototypische Bauteile in kurzer Zeit mittels eigens dafür ausgelegter Vorrichtungen hergestellt werden können. Es existieren mehrere technologische Verfahren. Bei diesen Verfahren wird ein Urformprozess sequentiell realisiert, indem dünne Schichten Materials (Material verfahrensabhängig) nacheinander in einem zyklisch ablaufenden Prozess entweder verfestigt, verbunden oder gefügt und vom Band- oder Tafelmaterial getrennt werden. Die räumliche Ausdehnung einer Schicht des Bauteils und die Schichtanzahl werden aus dem virtuellen CAD-Modell im Computer ermittelt. Nachdem alle Schichten aufgebaut sind, wird das entstandene Bauteil von unnötigen Partien befreit (z. B. Stützgeometrie, Restmaterial) und endbearbeitet. Das Bauteil kann als Modell für den Sandguss ausgelegt worden sein. Dieses Verfahrensprinzip wird auch der direkten Herstellung von Sandgießformen zugrunde gelegt. Ein Spezialsand (Croning-Verfahren) wird durch Lasereinwirkung nach dem zuvor beschriebenen Vorgehensweise versintert - Lasersintern (Junior, V.: Hin zum Rapid Manufacturing. KEM (2000) 11, S. 73-75). Da die Sandgießform direkt aus dem rechnerinternen Modell heraus entsteht, ist das in der Sandformerei sonst übliche Holzmodell nicht erforderlich. So hergestellte Formen nutzt man, um prototypische Bauteile während des Produktentwicklungsprozesses zu erzeugen. Für die spätere Serienfertigung werden der kostengünstigeren Herstellung der Gussteile wegen Holzmodelle oder Metall-Formen (Druckguss) angefertigt.

Ein weiteres technisches Verfahren (Offenlegungsschrift 1982 5448 - Verfahren und Vorrichtung zum direkten Herstellen einer verlorenen Gießform für Gussstücke aus Metall; N. N.: Casting Doubt Aside. Innovation & Technology Transfer (2001) 1, p. 14-15) sieht vor, aus aushärtbaren Gießereiformstoffen mit aushärtbaren Bindemitteln eine Rohform herzustellen, die die Sollkontur und eine Bearbeitungszugabe einschließt und die anschließend durch HSC-Bearbeitung, Fräsen oder 3D-Bearbeitung von Freiformflächen in die Gießform überführt wird. Für die Bearbeitung lässt sich ein Schaftwerkzeug (Patentschrift DE 199 28 840 - Schaftwerkzeug mit fest angeordnetem flügelartigen Einsätzen) benutzen, um die Gießform aus nicht spanbildenden Werkstoffen herzustellen.

Ohne ein physisches Modell kommt das Verfahren mit Walzeinrichtung für den Formstoff aus (Patentschrift DE 198 51 224 - Verfahren zum Herstellen von definierten Freiformflächen in Formstoff und Vorrichtung zum Ausführen derselben). Dabei wird der Formstoff über eine Auftragseinrichtung auf einen Auftragsgrund aufgebracht. Die definierten Freiformflächen werden im Formstoffmittels einer Walzeinrichtung geformt.

Nachteile des bekannten Standes der Technik

Der vorangehend beschriebene Stand der Technik hat den Nachteil, dass entweder ein teures Holzmodell gebaut werden muss, das nach Änderungen am Erzeugnis in den folgenden Schritten des Produktentwicklungsprozesses nicht weiter verwendet werden kann, oder eine teure Lasersinteranlage und Spezialsand oder aushärtbarer Sand benutzt werden müssen oder beim Walzen von Formsand filigranere Formen nicht entstehen können.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die verlorene Gießform aus üblichem Formsand ohne konturgetreues Modell herzustellen, d. h. zunächst ein voxelartiges Modell aus Modellbausteinen aufzubauen, das die Form des Gussteils möglichst weit annähert, die Gießrohform damit zu fertigen, mit einer Vorrichtung die Kontur der Gießform endgültig herauszuarbeiten und schließlich noch mit in der Sandformerei üblichen Hilfsmitteln zu glätten.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein die Kontur des Gussteils approximierendes Modell (Approxi-Modell) aus Modellbausteinen zusammengefügt wird. Die Modellbausteine haben unterschiedliche Größe und füllen voxelartig den Modellraum. Ausgangspunkt des Verfahrens und der Vorrichtung ist das CAD-Modell des zu gießenden Bauteils. Ein Rechnerprogramm ermittelt auf Grund des CAD-Modells die Füllung des Modellraums mit Modellbausteinen. Das Programm bestimmt die verschiedenen Größen und die jeweilige Anzahl der Modellbausteine, die den Modellraum ausfüllen und miteinander verbunden werden, Letzteres um den Zusammenhalt des Approxi-Modells zu sichern. Die die äußere Hülle bildenden Modellbausteine haben Auszugsschrägen.

Zur erfindungsgemäßen Lösung gehört, dass das Approxi-Modell in herkömmlicher Weise mit Sand umfüllt, dieser verdichtet und von einem Formkasten zusammengehalten wird, dass das Approxi-Modell entformt und zerlegt, die Bausteine in den Bausteinvorrat zurückgelegt und die Gießrohform mit einem erfindungsgemäßen Fingerlöffel weiter ausgearbeitet wird. Der Fingerlöffel baggert das (bezogen auf die Endkontur) überschüssige Material ab. Dazu werden Fingerlöffel unterschiedlichen Durchmessers eingesetzt. Die Feinheit der Kontur bestimmt den Durchmesser des Fingerlöffels. Der Fingerlöffel ist hohl. Er besitzt eine Zunge und einen beweglichen Löffel, der den überschüssigen Sand abbaggert. Der lose Sand wird im Inneren des Löffels abgeführt. Der Fingerlöffel wird an der Kontur der Gießform von einer numerischen Steuerung aufeinanderfolgend positioniert. Die Positionen werden aus dem CAD-Modell ermittelt. Die endgültige Kontur der Gießform wird mit herkömmlichen Hilfsmitteln der Sandformerei geglättet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass konturgetreue, teure Holzmodelle, mit denen die Gießform ausgebildet wird, nicht notwendig sind, weil die Gießform aus dem Sand ausgebaggert wird, wobei ein Löffel zum Einsatz kommt, der sich um eine Achse im Hohlfinger bewegt. Um den Abtragaufwand gering zu halten, wird der Hohlraum der Gießform zunächst grob angenähert. Das dazu gehörige approximierende Modell wird aus wiederverwendbaren Modellbausteinen unterschiedlicher Größe nach einem Schema zusammengefügt, welches ein Rechnerprogramm auf der Basis der verfügbaren Bausteingrößen ermittelt. Weitere Vorteile sind, dass herkömmlicher Formsand verwendet werden kann und dass die Zeit bis zum Prototypenguss verkürzt wird, verglichen mit dem weit verbreiteten Verfahren zur Sandgießformenherstellung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 das erfindungsgemäße voxelartige Zusammensetzen von Modellbausteinen zu einem Approxi-Modell,

Fig. 2 das Aufsetzen des Formkastens auf die Unterlage mit dem Approximationsmodell,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen voxelartigen Modellbaustein in 3 Ansichten mit Verbindungsstift,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Fingerlöffel,

Fig. 5 das erfindungsgemäße Baggern der approximierten Sandgießform zur Endform.

Ausgangspunkt des Verfahrens ist das CAD-Modell eines herzustellenden Bauteils. Ein zum Verfahren zu entwickelndes Rechnerprogramm lädt die Daten des CAD-Modells in den Hauptspeicher ein. Es ist so ausgelegt, dass es das CAD-Modell in würflige Raumelemente (Voxel) zerlegt, und zwar so, dass die räumlich frei geformte Fläche möglichst gut angenähert wird. Die Voxel haben eine vorgegebene Standardgröße. Danach fügt das Rechnerprogramm, wo es möglich ist, mehrere kleinere Voxel zu einem nächstgrößeren zusammen und bestimmt die einhüllenden Voxel mit Auszugsschrägen. Im Gefolge dessen entsteht auch eine Liste, die die benutzten, verschieden großen Voxel und deren Anordnung im Raum ausweist. Als Pendant zu den virtuellen Voxeln existieren physisch vorhandene, verschieden große, aufeinander abgestimmte Modellbausteine. An Hand der Liste, erstellt von dem zuvor genannten Rechnerprogramm, baut der Former in der Gießerei aus den Modellbausteinen ein Modell auf, wie es Fig. 1 zeigt. Es approximiert die Grießform.

Fig. 1 zeigt in der untersten Schicht 1 großen und 6 kleine Modellbausteine, in der mittleren den großen, der schon in der untersten Schicht vorhanden ist, und in der obersten Schicht 1 kleinen Modellbaustein.

Der Zusammenhalt der Modellbausteine wird im Ausführungsbeispiel über in die Modellbausteine eingesteckte "Verbindungsstifte" gesichert (siehe Fig. 3).

Das aus den zusammengesteckten Modellbausteinen entstandene Approxi-Modell (weil es die zu erreichende Gießform nur annähert) stellt der Former in einen Formkasten (siehe Fig. 2), der auf einer Unterlage steht und den er mit Gießereiformsand füllt. Letzteren verdichtet er mit bekannten Hilfsmitteln. Nach diesem Arbeitsvorgang wendet er den Formkasten und entformt das Approxi- Modell. Er zerlegt es in die Modellbausteine und Verbindungsstifte. Die einzelnen Elemente legt er in den Vorrat der Modellbausteine zurück.

Den Formkasten mit der zuvor geschaffenen Sandgießrohform stellt er auf eine Bearbeitungseinrichtung, die einen erfindungsgemäßen Fingerlöffel (siehe Fig. 4) numerisch gesteuert führt. Der Fingerlöffel wird an die Sandgießrohform - "approximierte Sandgießform" - positioniert. Dabei dringt eine "Zunge" in die Kontur der Sandgießrohform leicht ein. Ein mechanisch bewegter "Löffel" baggert eine Partie Sand von der Sandgießrohform ab. Danach positioniert die Bearbeitungseinrichtung den Fingerlöffel an die nächste Position der Kontur der künftigen Sandgießform und wiederholt den Baggervorgang. Das setzt sich so fort, bis die Kontur der Sandgießform vollständig erzeugt wurde. Der Fingerlöffel wird dabei, den Anforderungen der Kontur entsprechend, in horizontaler und vertikaler Richtung platziert und um seine Längsachse gedreht.

Eine "Absaugeinrichtung" entfernt den abgebaggerten Sand aus der Wirkzone.

Zum Schluss glättet der Former die Sandgießform mit bekannten Hilfsmitteln und führt den Anschnitt aus.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von verlorenen Gießformen durch Bearbeitung von aus üblichem Gießerei-Formsand hergestellten Rohformen und zur Herstellung der Gießrohformen, gekennzeichnet dadurch, dass Modellbausteine unterschiedlicher Größe aus einem vielfach einsetzbaren Vorrat zu einem die Gießform approximierenden Modell (Approxi-Modell) zusammengefügt werden, das Approxi-Modell im Formkasten in Sand eingebettet (Herstellung der Sandgießrohform) und nach dem Entformen in seine Bestandteile zerlegt wird und dieselben in den Vorrat der Modellbausteine zurückgeführt werden, der überschüssige Formstoff der entstandenen Sandgießrohform bis auf die Sandgießendform durch einen Fingerlöffel ausgebaggert und die Gießformoberfläche mit in der Sandformerei üblichen Hilfsmitteln geglättet wird.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbausteine aus Holz, einem anderen Biomaterial oder aus Kunststoff gefertigt sind.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbausteine zur Lagesicherung miteinander verbunden sind.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbausteine einen Bausteinsatz bilden, aufeinander abgestimmte Größen aufweisen und einige von ihnen wegen des Aushebens des Approxi-Modells Auszugsschrägen besitzen.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbausteine aus einem Vorrat nach Größe und Anzahl gemäß dem vorliegenden CAD-Modell des zu gießenden Bauteils rechnerunterstützt ausgewählt werden, so dass ein dieses approximierendes physisches Gießmodell (Appoxi-Modell) aufgebaut werden kann, welches später eine Mindestmenge an abtragbarem Formstoff zurücklässt und gleichzeitig die Gießform bestmöglich annähert, und die Auswahlergebnisse in einem Plan oder einer Liste dargestellt werden.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fingerlöffel durch eine numerische Steuereinrichtung schrittweise an der Kontur entlang positioniert wird, die aus dem CAD-Modell abgeleitet ist.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fingerlöffel um seine Achse drehbar ist und die rotatorische Lage numerisch geregelt werden kann.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fingerlöffel unterschiedlichen Durchmessers zum Einsatz kommen, wobei die Gestalt der Kontur die jeweils aktuelle Größe bestimmt.

9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fingerlöffel innen hohl ist, an seinem Ende eine in die Sandgießrohform eindringende Zunge und im Inneren einen beweglichen Löffel besitzt, der den Sand von der Sandgießrohform abbaggert.

10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fingerlöffel eine Vorrichtung besitzt, die den abgetragenen Formsand aus der Wirkzone abführt.

11. Verbindung zur Lagesicherung der Modellbausteine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbausteine zur Lagesicherung miteinander durch Stifte verbunden sind.

12. Verbindung zur Lagesicherung der Modellbausteine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbausteine zur Lagesicherung miteinander durch Klettbindung verbunden sind.